Призма и маятник. Десять самых красивых экспериментов в истории науки - Роберт Криз

Ученые часто говорят, что они «видят» те объекты, с которыми работают, какими бы крошечными или абстрактными те ни были. Цитогенетик Барбара Макклинток как-то заметила в связи со своими исследованиями хромосом:

«Я обнаружила, что чем больше работаю с хромосомами, тем больше и больше они становятся. Работая с ними, я была буквально рядом с ними. Я стала частью системы. Я была рядом с ними, и все вокруг делалось большим. Я даже могла разглядеть внутренние части хромосом»124.

Астрономы часто говорят, что они «видят» планету, обращающуюся вокруг пульсара, хотя на самом деле они лишь уловили в радиоволнах, излучаемых пульсаром, определенные флуктуации, вызванные гравитационным воздействием обращающегося вокруг звезды тела. После того как вокруг Ио, одного из спутников Юпитера, обнаружили натриевое облако, пресса цитировала заявление одного астронома, который сказал, что это «самое крупное постоянно видимое явление в Солнечной системе»125.

Подобные формулировки, конечно, не стоит понимать буквально – как и распространенные фразы типа «Вижу, вот-вот пойдет дождь», которые также не подразумевают «видения» в прямом смысле слова. Всем хорошо известно, что истинно научные сущности – от электронов до черных дыр – недоступны непосредственному человеческому зрению. Для их наблюдения необходимо посредничество тех или иных инструментов.

Но насколько важно для разговора о соотношении науки и прекрасного, на самом ли деле ученые видят объект своего исследования? Для большинства из нас красота подразумевает чувственное, непосредственное и интуитивное восприятие объекта. Если же ученые работают только с абстракциями, подобное чувственное восприятие должно быть для них недоступно.

Процесс восприятия в науке – увлекательный и сложный вопрос, однако по своей сути он мало чем отличается от обычного процесса человеческого восприятия126. При обычном восприятии мы «видим» не только очертания предметов и цвета, но и гораздо более сложные явления: проявления мужества и мудрости, самообмана и привязанности, честолюбия и авантюризма. Как подобное возможно? В предыдущей главе упоминалось, что, следуя фундаментальному феноменологическому принципу, наше восприятие – не автоматический и заранее предрешенный процесс; оно зависит от того, что мы воспринимаем в качестве переднего плана, а что – в качестве фона и горизонта. Можно сказать, что воспринимаемое нами «считывается», подобно системе знаков на данном конкретном фоне. В повседневном восприятии фон обычно задан заранее, в науке же мы вольны выбирать фон с помощью надежного инструментария и технологий, что позволяет нам воспринимать совершенно новые объекты.

Данный процесс может быть предельно простым – например, определение направления ветра по флюгеру или температуры воздуха по термометру. Но он может быть и значительно более сложным, как, например, наблюдение за электронами в камере Вильсона или наблюдение различных анатомических особенностей в рентгеновском аппарате (последнее в настоящее время доступно не только ученым). На ранних этапах развития физики высоких энергий, до начала активного распространения компьютерной техники, исследователи часто приглашали студентов-гуманитариев и домохозяек на демонстрацию следов мюонов, пионов и других частиц. Человеческое восприятие не всегда функционирует на одном и том же фоне, восприятие можно формировать и развивать.

Всякий раз, когда мы воспринимаем какой-либо объект, мы ощущаем определенную регулярность, повторяемость в его проявлениях. Восприятие письменного стола включает в себя знание, что если мы обойдем вокруг него, то обязательно увидим его противоположную сторону, которая в данный момент нам не видна, зато не будем видеть сторону стола, которая видна нам сейчас. И при этом, несмотря на все эти изменения в нашем ви́дении, будем по-прежнему видеть стол как один и тот же предмет.

Этот имплицитный горизонт проявлений, который «сопровождает» наше видение чего-то как объекта, не является некой мыслительной спекуляцией или нашим предположением. Это как раз и есть то, что мы понимаем под словом «видеть» объект.

Воспринять объект (как обычный, так и научный) – также означает понять особый профиль объекта вместе с горизонтом ожидаемых профилей. Сказанное справедливо даже по отношению к таким обычным предметaм, как, например, яблоко. В последовательности определенных действий – мы подбираем яблоко с земли, поворачиваем его, откусываем – мы сталкиваемся с нарастающей реализацией горизонта профилей. Теоретически нас могут ожидать неожиданности – например, яблоко может быть на самом деле сделано из дерева или стекла, – но мы все равно воспринимаем эту неожиданность в контексте опыта, который перестраивает, но не уничтожает горизонт профилей.

Инвариантами обычного восприятия служат интуитивные образы повторяющихся физических характеристик, в научных же объектах подобные инварианты обычно описываются с помощью соответствующих теорий. Увидеть хромосому, планету, натриевое облако или какой-либо другой научный объект – значит понять, что данный объект подчиняется определенным закономерностям и описательным инвариантам, которые, в свою очередь, зафиксированы в той или иной теории. Будем ли мы продолжать так же воспринимать упомянутые феномены, зависит от того, как их профили реализуют ожидания, порождаемые соответствующими инвариантами127.

«Желание узнать» – вот как мы называем наше стремление исследовать наличные и ожидаемые профили некоего феномена, то есть принять участие в увлекательном процессе их реализации. Этот процесс познания можно наблюдать не только у людей, но также и у приматов и других существ. А значит, пишет Максин Шитс-Джонстон, профессор философии Орегонского университета, желание узнать – это не социальный конструкт, но часть нашего эволюционного наследия. Научный темперамент участвует в этом процессе посредством эксперимента, который создает новые и часто неожиданные профили и феномены.

В случае с большинством объектов – чашкой, стулом или даже человеком – нам хорошо известно, что можно ожидать в горизонте профилей. Иногда, правда, мы не только предполагаем, но даже ожидаем столкновения с чем-то непредвиденным. Научный темперамент предполагает открытость к неожиданному. Именно это имел в виду Эйнштейн, когда писал, что «самое прекрасное наше переживание – переживание таинственного. В нем источник истинного искусства и науки»128.

В лаборатории с помощью надежных инструментов и технологий можно создать особую ситуацию, в которой новое проявит себя. Одним из примеров такой особой ситуации был аппарат Милликена. Внутри него был создан новый, особый мир, и Милликен его очень хорошо изучил. Он знал все законы этого мира и возможные нарушения этих законов. Ему были понятны типичные процессы, происходящие в этом мире, и ситуации, которые там возможны, и он сразу опознал бы нетипичный процесс или ситуацию, если бы они возникли. Так что абсолютно верно будет сказать, что он действительно видел этот мир и его составные части.

Ученые, подобные Роберту Милликену и Барбаре Макклинток, которые так близко знакомы с миром, который исследуют, обладают способностью буквально видеть объекты этого мира, и это позволяет им видеть в нем и красоту, недоступную остальным.

Рис. 19. Первый набросок ядерной теории строения атома, сделанный Резерфордом, вероятно, зимой 1910–1911 гг.

Глава 9. У истоков красоты

Резерфорд и атомное ядро

В первом десятилетии двадцатого века английский физик Эрнест Резерфорд (1871–1937), проведя талантливо разработанный эксперимент, открыл внутреннюю структуру атома. К удивлению других ученых, он обнаружил, что атом состоит из центрального положительно заряженного ядра (где заключена почти вся масса атома), окруженного облаком отрицательно заряженных электронов. До того момента внутренняя структура материи оставалась одной из тех загадок – наряду с рождением и смертью Вселенной, происхождением жизни и существованием жизни на других планетах, – которые были интересным предметом для рассуждения и всякого рода предположений и гипотез, но не могли стать объектом экспериментального научного исследования. Ученые задавались вопросом: как же исследовать внутреннюю структуру атома, если весь инструментарий, которым мы располагаем, сам состоит из атомов? Это все равно что пытаться установить, что находится внутри одного резинового мяча с помощью другого резинового мяча. Решение этой проблемы Резерфордом знаменовало рождение современной физики элементарных частиц.